能“夹”起细胞的“光镊子”

作者: 李志文

1998年5月初,专程来北京参加北大百年校庆活动的1997年诺贝尔物理学奖得主、华裔朱棣文教授,作了题为《与生物学相结合的原子物理学》的报告。演讲时,朱教授向近千名师生展示了一段极其精彩的科学实验录像。人们看到一个折叠的脱氧核糖核酸分子(DNA)先被轻轻地拉直,而后又被松开,伸展的长链逐渐卷曲,恢复了原来的模样。实验构思之巧妙、技术之高超,令人惊叹不已。这么小的DNA分子是用怎样的工具拿起来拉直又展开的呢?它就是“光镊子”。

“光镊子”不是一个实体,而是一种技术,它是靠激光来操作的。我们知道,激光有强度高、单色性好等优点。20多年前,人们发现,当一束激光在物质中传播时,如果一些光线不平行,而是逐渐聚拢或逐渐散开,就会对物质产生一种“梯度力”的作用。另外,我们还知道,光从一种物质进入到另一种物质时,会发生折射现象。如果在某种溶液中放一个用聚苯乙烯制成的直径小于1微米的小球,那么光从溶液进入小球时就会发生折射,而且折射角小于入射角。让一束经过聚焦透镜的激光穿过溶液进入小球,这束光先在小球内会聚焦,然后又分散射出小球。在光线聚拢和散开时都有梯度力作用在小球上。只要小球的球心偏离透镜焦点,小球受到的总的梯度力便不等于零,并且总是指向焦点。这样,小球便会向透镜焦点移动,激光就通过梯度力牢牢地“夹”住了小球。人们设法把小球粘在要研究的生物分子上,用“光镊子” “夹”住小球,同时也就带起了生物分子,从而可以对其进行研究。

“光镊子”有多种用途。起初,物理学家用它来操作电介质微粒,甚至单个原子,以便研究它们的性质。如今,“光镊子”又为生物学家所看好,在跨世纪的新兴学科领域里大显身手。科学家已经做到了用“光镊子”按住一个细胞,用一把“激光刀”把细胞膜切开,再用另一把“光镊子”把其他细胞的细胞器放入这个细胞内,以达到人为地改变这个细胞的生物特性的目的。也有人用“双光镊”技术精确地测量了单个肌动蛋白分子“走动”的“步长”,以及它能够产生的作用力的大小,这为研究动物肌肉活动的机理打下了基础。

总之,“光镊子”已成为细胞生物学中一种重要的实验“工具”,它的应用前景将会越来越广。